[論文レビュー] Theory Manual for the Tuned Mass Damper Module in FAST v8

William La Cava, Matthew A. Lackner|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Hydraulic and Pneumatic Systems参考文献 4被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、FAST v8における制振質量ダンパー（TMD）の理論的基盤と実装を提示しており、タービンのナセルの前方後方（x）および横方向（y）に、2つの独立した1自由度TMDを追加することにより、風力タービンにおけるアクティブ構造制御を可能にしている。この手法は、コリオリ力、遠心力、オイラー力の動的力もモデル化しており、ストローク制限のストップ力も含め、柔軟な風力タービンシステムにおける振動抑制を顕著に向上させている。

ABSTRACT

This manual describes the theory underlying new functionality in FAST 8 that simulates the addition of tuned mass dampers in the nacelle for structural control.

研究の動機と目的

• FAST v8のシミュレーションフレームワークに制振質量ダンパー（TMD）を統合することで、風力タービンにおける構造制御を可能にすること。
• 慣性系と非慣性系の座標系を用いて、ナセルの前方後方および横方向におけるTMDの動的挙動をモデル化すること。
• ナセルの回転に起因するTMDの相対運動におけるコリオリ力、遠心力、オイラー加速度をTMDの運動方程式に組み込むこと。
• TMDの変位が境界を超えた際にのみ作動する非線形ばねダンパー要素を用いて、TMDの機械的ストローク制限をシミュレートするストップ力の実装。
• TMDをFAST v8のServoDynモジュールに理論的かつコードレベルで完全に統合すること。

提案手法

• ナセルに固定された回転する非慣性座標系を用いてTMDの運動方程式を導出し、回転行列を用いて慣性加速度を変換する。
• TMDをxおよびy方向に1自由度の線形質量-ばね-ダンパー系としてモデル化し、全座標系およびナセル固定座標系の両方で力の成分を解釈する。
• ナセルの回転に起因する相対運動におけるコリオリ加速度、遠心加速度、オイラー加速度をTMDの運動方程式に組み込む。
• TMDの力とモーメントを合算し、回転行列を用いて全座標系に変換することで、ナセルへの反力と反モーメントを求める。
• TMD変位が事前に定義された限界（X_UWSP, X_DWSP, Y_PLSP, Y_NLSP）を超えた場合にのみ作動する高剛性・高減衰定数の要素を用いてストップ力を導入する。
• TMDモジュールをFAST v8に独立したコンponentとして実装し、専用の入力ファイル、状態変数、およびServoDynモジュールへの統合を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FAST v8を用いた風力タービンの動的シミュレーションにおいて、制振質量ダンパーをどのように正確にモデル化できるか。
• RQ2 回転するナセル座標系におけるコリオリ力、遠心力、オイラー力がTMDの性能に与える影響は何か。
• RQ3 TMDの機械的ストローク制限を非線形ストップ力でどのようにモデル化し、不切な変位を防げるか。
• RQ4 TMDのパラメータ（質量、剛性、減衰）が、柔軟な風力タービンシステムにおけるナセルの振動低減に与える影響は何か。
• RQ5 TMDモジュールは、既存の動的挙動を損なわずに、FAST v8フレームワークにどのように統合されるか。

主な発見

• TMDモジュールは、ナセルの前方後方および横方向に、2つの独立した1自由度の質量-ばね-ダンパー系を正確にモデル化している。
• ナセル回転下での高精度な動的応答を確保するため、コリオリ力、遠心力、オイラー力が正しく組み込まれており、高精度なシミュレーションに不可欠である。
• ストップ力は高剛性定数（k_S）および高減衰定数（c_S）を有する要素で実装されており、変位がX_UWSP、X_DWSP、Y_PLSP、Y_NLSPを超えた場合にのみ作動する。
• TMDの力とモーメントは、回転行列R_{N/G}およびその転置を用いて、ナセル座標系から全座標系に正しく変換されている。
• TMD_CMODEパラメータにより、被動的および能動的TMD制御モードをサポートしており、将来的な適応制御戦略の実現が可能である。
• TMDの実装は、新規ファイル（TMD.f90, TMD.txt, TMD_Types.f90）を介してFAST v8に完全に統合されており、ServoDynモジュールにおける入力、状態、パラメータ、出力が明確に定義されている。